JPS5946106B2 - ultra high speed transistor - Google Patents
ultra high speed transistorInfo
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- JPS5946106B2 JPS5946106B2 JP56198883A JP19888381A JPS5946106B2 JP S5946106 B2 JPS5946106 B2 JP S5946106B2 JP 56198883 A JP56198883 A JP 56198883A JP 19888381 A JP19888381 A JP 19888381A JP S5946106 B2 JPS5946106 B2 JP S5946106B2
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
- H10D48/30—Devices controlled by electric currents or voltages
- H10D48/32—Devices controlled by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H10D48/36—Unipolar devices
- H10D48/362—Unipolar transistors having ohmic electrodes on emitter-like, base-like, and collector-like regions, e.g. hot electron transistors [HET], metal base transistors [MBT], resonant tunnelling transistors [RTT], bulk barrier transistors [BBT], planar doped barrier transistors [PDBT] or charge injection transistors [CHINT]
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- Bipolar Transistors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、高周波領域で動作する超高速トランジスタに
関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ultrahigh-speed transistor that operates in a high frequency region.
近年、半導体トランジスタの高速化の試みのひとつに、
メタルベーストランジスタが提案されている。In recent years, one of the attempts to speed up semiconductor transistors is
Metal-based transistors have been proposed.
第1図はメタルベーストランジスタの零バイアス条件下
におけるエネルギーバンド図で、nf半導体エミッタ1
、金属薄膜ベース2およびn−半導体コレクタ3から成
り、図示のように零バイアス条件下では、n1手導体エ
ミッタ1およびn−半導体コレクタ3と金属薄膜ベース
2との間には、ショットキ接合4、5による空乏層が発
生している。第2図はメタルベーストランジスタの動作
状態におけるエネルギーバンド構造を示す図で、n1手
導体エミッタ1およびn−半導体コレクタ3はそれぞれ
負および正にバイアスされ、工ミッタ側ショットキ障壁
4、コレクタ側ショットキ障壁5は順および逆方向にバ
イアスされている。nf半導体エミッタ1金属薄膜ベー
ス2間に加えられた順方向バイアスに応じてnf半導体
エミッタ1中の電子は、金属薄膜ベース2に注入される
。金属薄膜ベース2が十分薄い場合は、大多数の電子は
、金属薄膜ベース2を通過してn−半導体コレクタ空乏
層3へ到達することができる。すなわち金属薄膜ベース
2の電位を設定するに要する微小な電荷で、エミッタか
らコレクタヘの電流を制御することができる。このトラ
ンジスタ構造は、従来のバイポーラ側トランジスタに比
較して、1、ベース領域が金属であるので少数キャリア
蓄積によるスイッチング速度の低下がないこと。2、ベ
ース領域が100λ程度と薄いので、キャリアのベース
領域走行時間が問題にならないこと。Figure 1 is an energy band diagram of a metal-based transistor under zero bias conditions, with an nf semiconductor emitter 1
, a metal thin film base 2 and an n-semiconductor collector 3, and as shown in the figure, under zero bias conditions, a Schottky junction 4, 5, a depletion layer is generated. FIG. 2 is a diagram showing the energy band structure in the operating state of a metal-based transistor. 5 is forward and reverse biased. Electrons in the nf semiconductor emitter 1 are injected into the metal thin film base 2 in response to a forward bias applied between the nf semiconductor emitter 1 and the metal thin film base 2. If the metal thin film base 2 is sufficiently thin, the majority of electrons can pass through the metal thin film base 2 and reach the n-semiconductor collector depletion layer 3. In other words, the current flowing from the emitter to the collector can be controlled using a minute charge required to set the potential of the metal thin film base 2. This transistor structure has two advantages compared to conventional bipolar transistors: 1. Since the base region is made of metal, there is no reduction in switching speed due to minority carrier accumulation. 2. Since the base region is as thin as about 100λ, the travel time of carriers in the base region is not a problem.
3、ベース領域が金属であるのでベース抵抗が低く、ベ
ース抵抗によるスイッチング遅れが小さいこと。3. Since the base region is made of metal, the base resistance is low and the switching delay due to the base resistance is small.
等の利点が予想されていた6
しかし、ショットキバリアを形成するための金属の上に
更に半導体を形成させる必要があるため、フ 素子の実
用化は困難であつた。6 However, it was difficult to put the F-type device into practical use because it was necessary to further form a semiconductor on top of the metal that forms the Schottky barrier.
本発明は、上記の欠点を解消する目的でなされたもので
、El−V族半導体混晶間で形成されるヘテロ接合が良
好な界面特性を持ち、混晶比を変えた単結晶を自由に重
畳成長することができること、に着目し、前記メタルベ
ーストランジスタにおけるショットキ障壁をワイドギャ
ップ半導体薄膜で、また金属による高伝導層を、適当な
バイアス条件”ウー下でワイドギヤツプベース、コレク
タヘテロ接合界面に発生する高伝導性反転層にて置き換
えることにより、既存技術によつて、数THz以上の周
波数帯で利得を有する超高速トランジスタを提供するも
のである。The present invention was made for the purpose of eliminating the above-mentioned drawbacks, and the heterojunction formed between the El-V group semiconductor mixed crystals has good interface characteristics, and single crystals with different mixed crystal ratios can be freely formed. Focusing on the fact that superimposed growth can be performed, the Schottky barrier in the metal-based transistor is made of a wide-gap semiconductor thin film, and the highly conductive layer made of metal is grown under appropriate bias conditions. By replacing it with a highly conductive inversion layer generated at the interface, existing technology provides an ultrahigh-speed transistor with gain in a frequency band of several THz or higher.
以下、本発明について説明する。The present invention will be explained below.
本発明による超高速トランジスタをGaAs−GaAl
As系化合物半導体で作成した実施例のそれぞれ断面図
aおよび平面図bを示す。図中、11はエミツタ電極、
12はn+GaAsエミツタ領域、13はノンドープG
aAlAs薄膜層、14はベース電極、15はベースコ
ンタクト用n+拡散層、16はヘテロ接合界面に発生し
た低抵抗反転層、17はp−GaAsコレクタ領域、1
8はn+GaAs基板、19はコレクタ電極である。ノ
ンドープGaAlAs薄膜13の標準的な厚さは200
八から2000人、P−GaAsコレクタ領域17の標
準的な厚さは、2000人から2μmである。第4,5
,6図は、本発明によるトランジスタの零バイアス条件
(第4図示)、0FF(第5図示)、0N(第6図示)
動作時におけるエネルギーバンド図をそれぞれ示すもの
である。さて、第4図に示すようにn+GaAsエミツ
タ領域12とp−GaAsコレタタ領域17との間には
ノンドープGaAlAs薄膜層13がはさまれており、
このノンドープGaAlAs層13がn+GaAsエミ
ツタ領域12中の電子に対して約0.3eVの拡散障壁
になつている。The ultrahigh-speed transistor according to the present invention is made of GaAs-GaAl.
A cross-sectional view a and a plan view b of an example made of an As-based compound semiconductor are shown, respectively. In the figure, 11 is an emitter electrode;
12 is n+GaAs emitter region, 13 is non-doped G
aAlAs thin film layer, 14 is a base electrode, 15 is an n+ diffusion layer for base contact, 16 is a low resistance inversion layer generated at the heterojunction interface, 17 is a p-GaAs collector region, 1
8 is an n+GaAs substrate, and 19 is a collector electrode. The standard thickness of the non-doped GaAlAs thin film 13 is 200 mm.
The typical thickness of the P-GaAs collector region 17 is 8-2000 μm. 4th, 5th
, 6 shows the zero bias conditions (as shown in the 4th diagram), 0FF (as shown in the 5th diagram), and 0N (as shown in the 6th diagram) of the transistor according to the present invention.
FIG. 7 shows energy band diagrams during operation. Now, as shown in FIG. 4, a non-doped GaAlAs thin film layer 13 is sandwiched between the n+ GaAs emitter region 12 and the p-GaAs collector region 17.
This non-doped GaAlAs layer 13 serves as a diffusion barrier of approximately 0.3 eV for electrons in the n+GaAs emitter region 12.
ノンドープGaAlAs層13とp−GaAsコレクタ
領域17との界面は空乏していて、反転層は形成されて
いない。第5図は、n+GaAsエミツタ領域12、ベ
ースコンタクト用n+拡散層15(第3図)間の0.2
程度の弱順バイアス、ベースコンタクト用n+拡散層1
5(第3図)、n+GaAs基板18に1〜2の逆バイ
アスを加えた場合のエネルギーバンド図である。n+G
aAsエミツタ領域12、ベースコンタクト用n+拡散
層15(第3図)間の順バイアスによつて、ノンドープ
GaAlAs薄膜層13とp−GaAsコレタタ領域1
7との間に高移動度反転層が生じて低抵抗ベース層16
を形成している。また、p−GaAsコレクタ領域17
における伝導帯のレベルが下げられることにより、p−
GaAsコレタタ領域17中に発生する電界は、電子を
n+GaAs基板18側に加速する向きに働いている。
第5図においては、n+GaAsエミツタ領域12中の
電子は、ノンドープGaAlAs薄膜層13に妨げられ
て、p−GaAsコレクタ領域17には注入されない。The interface between the non-doped GaAlAs layer 13 and the p-GaAs collector region 17 is depleted, and no inversion layer is formed. FIG. 5 shows the distance between the n+ GaAs emitter region 12 and the base contact n+ diffusion layer 15 (FIG. 3).
Moderately weak forward bias, n+ diffusion layer 1 for base contact
5 (FIG. 3) is an energy band diagram when a reverse bias of 1 to 2 is applied to the n+GaAs substrate 18. n+G
By applying a forward bias between the aAs emitter region 12 and the base contact n+ diffusion layer 15 (FIG. 3), the non-doped GaAlAs thin film layer 13 and the p-GaAs collector region 1 are
A high mobility inversion layer is formed between the base layer 16 and the low resistance base layer 16.
is formed. In addition, the p-GaAs collector region 17
By lowering the conduction band level at p-
The electric field generated in the GaAs collector region 17 acts in a direction to accelerate electrons toward the n+GaAs substrate 18 side.
In FIG. 5, electrons in the n+ GaAs emitter region 12 are blocked by the non-doped GaAlAs thin film layer 13 and are not injected into the p-GaAs collector region 17.
すなわち本図は、トランジスタの0FF状態を示す。第
6図は、n+GaAsエミツタ領域2、ベースコンタク
ト用n+拡散層15(第3図)を更にバイアスすること
によつて、n+GaAsエミツタ領域12中の電子がノ
ンドープGaAlAs薄膜13によつて生ずる約0.3
eVの拡散壁を超えた場合を示す。n+GaAsエミツ
タ領域12からノンドープGaAlAs薄膜層13を超
えて放出された電子は、大部分が低抵抗反転層16を通
透して、p−GaAsコレクタ領域17中の電界によつ
てn+GaAs基板18方向に加速される。すなわち、
本図はトランジスタの0N状態を示す。本発明による超
高速トランジスタの技術的な利点を列挙すると、1.ノ
ンドープGaAlAs層13(第4図)と低抵抗反転層
16(第4図)は、従来のバイポーラトランジスタのベ
ース領域に相当するものであり、両者の厚さの合計を数
百λ以下に設計するこ−とが可能となる。That is, this figure shows the 0FF state of the transistor. FIG. 6 shows that by further biasing the n+ GaAs emitter region 2 and the n+ diffusion layer 15 for base contact (FIG. 3), electrons in the n+ GaAs emitter region 12 are generated by the non-doped GaAlAs thin film 13 to about 0. 3
The case where the eV diffusion wall is exceeded is shown. Most of the electrons emitted from the n+GaAs emitter region 12 beyond the non-doped GaAlAs thin film layer 13 pass through the low resistance inversion layer 16 and are directed toward the n+GaAs substrate 18 by the electric field in the p-GaAs collector region 17. be accelerated. That is,
This figure shows the ON state of the transistor. The technical advantages of the ultra-high speed transistor according to the present invention are listed below: 1. The non-doped GaAlAs layer 13 (Fig. 4) and the low resistance inversion layer 16 (Fig. 4) correspond to the base region of a conventional bipolar transistor, and the total thickness of both is designed to be several hundred λ or less. This becomes possible.
従つて、キヤリアのベース領域走行距離を百分の1程度
の短縮することが可能である。2.従来のトランジスタ
のベース領域に相当するノンドープGaAlAs層13
(第4図)と低抵抗反転層16(第4図)には、キヤリ
アを加速する方向の電界が存在しており、キヤリアのベ
ース走行速度が大きい。Therefore, it is possible to shorten the base area travel distance of the carrier by about one hundredth. 2. Non-doped GaAlAs layer 13 corresponding to the base region of a conventional transistor
(FIG. 4) and the low resistance inversion layer 16 (FIG. 4), an electric field exists in the direction of accelerating the carrier, and the base running speed of the carrier is high.
3.ヘテロ界面に発生する低抵抗反転層16(第4図)
には高移動度二次元電子が充満しているために、低いベ
ース抵抗を保つことができる。3. Low resistance inversion layer 16 generated at the hetero interface (Figure 4)
Because it is filled with high-mobility two-dimensional electrons, it can maintain a low base resistance.
従つて、寄生容量による信号の遅延を減少することがで
きる。ということになる。Therefore, signal delay due to parasitic capacitance can be reduced. It turns out that.
以上説明したように、本発明は、ヘテロ界面に発生した
高移動層を利用することにより、ベース抵抗を増加させ
ることなく、従来のバイポーラトランジスタに比較して
キヤリアの走行時間を1/100程度に短縮することが
可能であり、数TH2以上の高周波領域で動作する超高
速トランジスタを実現するものである。As explained above, the present invention reduces the carrier transit time to about 1/100 compared to conventional bipolar transistors without increasing the base resistance by utilizing the high mobility layer generated at the hetero interface. This realizes an ultra-high speed transistor that can be shortened and operates in a high frequency region of several TH2 or more.
第1図、第2図はそれぞれ零バイアスおよび動作状態に
おけるメタルベーストランジスタのエネルギーバンド図
、第3図aは本発明をGaAs一GaAlAs系化合物
半導体帯で作成した実施例の断面図、bは同実施例の平
面図、第4,5,6図はそれぞれ零バイアス条件、0F
Fおよび0N動作時におけるエネルギーバンド図である
。
図中、1はn+半導体エミツタ、2は金属薄膜ベース、
3はn一半導体コレクタ、4はn+半導体エミツタと金
属薄膜ベースとの界面に発生したシヨツトキ障壁、5は
n一半導体コレクタと金属薄膜ベースとの界面に発生し
たシヨツトキ障壁、11はエミツタ電極、12はn+G
aAsエミツタ領域、13はノンドープGaAlAs薄
膜層、14はベース電極、15はベースコンタクト用n
+拡散層、16は低抗反転層、17はp−GaAsコレ
クタ領域、18はn+GaAa基板、19はコレクタ電
極である。FIGS. 1 and 2 are energy band diagrams of a metal-based transistor at zero bias and operating conditions, respectively. FIG. The plan view of the example, Figures 4, 5, and 6 are respectively under zero bias condition and 0F.
FIG. 3 is an energy band diagram during F and ON operation. In the figure, 1 is an n+ semiconductor emitter, 2 is a metal thin film base,
3 is the n-semiconductor collector, 4 is the shot barrier generated at the interface between the n+ semiconductor emitter and the metal thin film base, 5 is the shot barrier generated at the interface between the n-semiconductor collector and the metal thin film base, 11 is the emitter electrode, 12 is n+G
aAs emitter region, 13 a non-doped GaAlAs thin film layer, 14 a base electrode, 15 a base contact n
16 is a low anti-inversion layer, 17 is a p-GaAs collector region, 18 is an n+ GaAa substrate, and 19 is a collector electrode.
Claims (1)
エミッタと、前記エミッタからのキャリアのトンネル透
過を阻止する程度の厚さでエミッタ領域よりも広い禁制
帯巾を持つベース領域と、比較的低濃度の不純物濃度を
持つた空乏層で形成されるコレクタ領域と、適当なバイ
アス条件下でベース領域とコレクタ領域の境界に発生す
る反転層とで構成されることを特徴とする超高速トラン
ジスタ。1. An emitter made of a semiconductor material with a relatively high carrier density, a base region having a thickness sufficient to prevent tunneling of carriers from the emitter and having a forbidden band width wider than the emitter region, and a base region made of a semiconductor material with a relatively low concentration of carriers. An ultrahigh-speed transistor characterized by comprising a collector region formed by a depletion layer with an impurity concentration of
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56198883A JPS5946106B2 (en) | 1981-12-10 | 1981-12-10 | ultra high speed transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56198883A JPS5946106B2 (en) | 1981-12-10 | 1981-12-10 | ultra high speed transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58100456A JPS58100456A (en) | 1983-06-15 |
| JPS5946106B2 true JPS5946106B2 (en) | 1984-11-10 |
Family
ID=16398507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56198883A Expired JPS5946106B2 (en) | 1981-12-10 | 1981-12-10 | ultra high speed transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5946106B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63148204U (en) * | 1988-03-10 | 1988-09-29 | ||
| JPH01170108U (en) * | 1988-05-19 | 1989-12-01 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61248561A (en) * | 1985-04-25 | 1986-11-05 | インタ−ナショナル・ビジネス・マシ−ンズ・コ−ポレ−ション | semiconductor structure |
| WO1987000692A1 (en) * | 1985-07-26 | 1987-01-29 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor device |
| JPH0656851B2 (en) * | 1985-08-07 | 1994-07-27 | 日本電気株式会社 | Semiconductor device |
| JPS6233462A (en) * | 1985-08-07 | 1987-02-13 | Nec Corp | Semiconductor device |
| JPS6233460A (en) * | 1985-08-07 | 1987-02-13 | Nec Corp | Semiconductor device |
-
1981
- 1981-12-10 JP JP56198883A patent/JPS5946106B2/en not_active Expired
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63148204U (en) * | 1988-03-10 | 1988-09-29 | ||
| JPH01170108U (en) * | 1988-05-19 | 1989-12-01 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58100456A (en) | 1983-06-15 |
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